新型可拉伸電子材料讓屏幕可拉伸不再是夢，皮膚顯示或屏幕成可能

從美國芝加哥大學回國加入蘇州大學不久的劉偉教授，在近日發表了一篇 Nature Materials 論文，介紹了一種性能媲美傳統硬屏的可拉伸屏幕。

這款可拉伸屏幕的學名叫做“可拉伸 OLED 器件”，它的最大外量子效率達到 8%，比之前報道的使用相同發光材料打造的同類型可拉伸 OLED 提升了 2.4 倍。它的開啟電壓只有 3.5V，使得其用一顆小型紐扣電池即可驅動。這意味著該可拉伸 OLED 的性能可以媲美商用剛性 OLED。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z）

它可以輕松地被拉伸到 60%-100% 的應變（長度拉伸一倍），在此期間發光效率仍能保持在初始值的 75% 以上，而且發光顏色非常穩定。它不僅適用于高效的熱激活延遲熒光發光材料，也適用于普通的熒光材料，能夠實現從藍色到紅色的各種顏色顯示。

劉偉告訴 DeepTech：“我們首次將可拉伸 OLED 的效率等關鍵性能做到了與商用剛性 OLED 相當的水平。同時，我們發明了一種新型液態金屬合金——鋁鎵銦合金，能將傳統剛性的金屬鋁變得可以拉伸。”這一次，他希望能夠將其用在具身智能領域，更具體來說是讓這種屏幕成為機器人身體的一部分。

“人和機器人交互時，如果機器人表面是柔軟的、帶有可交互顯示的‘皮膚’，體驗會更好、更自然。我們的顯示器可以做成任意形狀，適應不平整或變形很大的表面，想放在哪里都可以，完全能夠根據需求來。”他說。

圖 | 劉偉（來源：劉偉）

可拉伸屏幕難在哪里？

我們平時使用的手機和電視屏幕，大部分都是硬邦邦的。它們的內部結構非常精密，就像多層樓房一樣：有的負責供電的電極層，好比是這座樓房的樓板和屋頂；有的負責搬運電子的傳輸層，好比是這座樓房的樓梯和電梯；有的是最終發光的發光層，好比是房間里的燈泡。所有這些樓層都是使用脆性小分子材料堆疊而來，稍微一彎就有可能斷裂和失效，導致屏幕不亮或出現黑線。

因此，人們一直希望造出一種可以像皮筋一樣彎曲、拉伸甚至不怕任何形變的屏幕。可拉伸 OLED 便是這類屏幕的統稱，它也將是可穿戴設備、人機交互界面甚至醫療植入設備的核心。

然而，過去制造的可拉伸 OLED 屏幕有個致命弱點：工作電壓高、不夠亮、還費電。它們的性能往往是傳統硬屏的 10% 都不到。問題主要出在 OLED 屏幕發光過程中的一個關鍵環節——電子注入效率太低。

OLED 發光好比一個接力賽跑：電能源源不斷地從電池電極出發，帶正電的空穴和帶負電的電子好比是兩位運動員，它們分別從陽極和陰極出發，穿過各自的傳輸通道，最終在發光層相遇、結合、迸發出光能。

此前，人們在改進發光層和陽極端的材料上已經取得了不錯的進展，可以成功將它們變得既柔軟又高效，但卻在陰極遇到了巨大瓶頸：找不到柔軟、導電性好、適合注入、傳輸電子的材料。

這讓可拉伸 OLED 的性能一直被卡在瓶頸里，無法與商業硬屏相媲美。直到劉偉此次和合作者，從兩個最根本的環節入手，徹底改變了局面。

為屏幕搭橋修路

首先，劉偉需要建造一條既柔軟又高效的電子高速公路，也就是打造全新的可拉伸電子傳輸層聚合物。本次設計思路非常巧妙，好比使用積木搭建了一個既有堅固橋墩、又有彈性連接件的橋梁。

為此，他選擇基于三嗪的共軛單元作為分子骨架的核心部分，這種結構電子親和能高，天生就渴望得到電子，因此能夠提供合適的能級，讓電子順暢通過，從而能夠確保高效的電子傳輸能力。

然后，他在分子骨架之中，插入了柔軟的長烷基鏈。這些長烷基鏈就像彈簧一樣，當材料被拉伸的時候，能夠通過自身變形來吸收應力和分散應力，從而能夠保護那些脆性的發光電源和導電單元不會被拉斷。

他還在分子中加入了甲基等側鏈，故意讓分子的主干變得扭曲和不規整。這樣做有兩個好處：一是防止分子排列得太整齊而形成晶體，二是能夠保持較高的三重態能級，避免其掠奪發光層寶貴的能發光的激子。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z）

通過此，劉偉合成了五種烷基鏈不同的聚合物，并將它們分別命名為 PTG、PTG25D、PTG50D、PTG75D 和 PTGD。結果正如所料：

首先，烷基鏈越多，材料越柔軟。幾乎沒有烷基鏈的 PTG 拉伸不到 5% 就會斷裂，擁有 100% 烷基鏈的 PTGD 可以拉伸超過 200% 而不會斷裂。

其次，烷基鏈越多，電子遷移率就越容易下降。但是，通過精細調控比例，他在高拉伸性和高電子傳輸效率之間取得了平衡。所打造的新聚合物在剛性測試器件中的效率，甚至可以比肩最好的傳統商用小分子材料。

更神奇的是，通過量子化學計算模擬，他看到了這些聚合物在拉伸時的微觀世界的變化：柔軟的烷基鏈會和應變方向進行對齊，并會像潤滑劑一樣帶動周圍剛性的三嗪單元一起溫和地移動，從而能夠避免帶有破壞性的開裂。這使得基于該材料的 OLED 器件在經歷 100% 應變拉伸甚至 500 次重復拉伸之后，性能依然保持穩定。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z）

施加金屬脆化術，讓鋁箔學會拉伸

理想的陰極需要使用鋁這樣的低功函數金屬，但是鋁本身是剛性的。為此，劉偉從液態金屬脆化效應中找到靈感。比如，在一大塊鋁上滴一滴液態金屬，一段時間后鋁塊會變得酥脆和粉化。他覺得人們常常想盡方法想避免的脆化效應反而是將剛性鋁轉化成可拉伸鋁的巧妙方法。

他發現在液態鎵銦合金中預先融入一點鋁，可以生成新的合金-鋁鎵銦，這能極大改善液態金屬對于鋁表面和彈性基底等大多數材料的濕潤性，從而能夠使其均勻地涂抹甚至實現圖案化印刷在任意基底上。

在脆化處理上，劉偉將一層超薄的鋁鎵銦合金涂覆在預先蒸鍍好的鋁薄膜上。鋁鎵銦合金中的鎵和銦原子會滲入鋁膜的晶界。經過處理的鋁膜看似光滑，保留了鋁的高度鏡面效果，但是內部的微觀連接已經被精心修飾。

最終，這種脆化處理帶來了驚人變化：處理后的鋁膜可以承受超過 100% 的拉伸而不會形成任何裂紋，而未經處理的鋁膜稍微一拉就會支離破碎。與此同時，處理后的鋁膜初始導電率幾乎不受影響，并且在拉伸過程中也可以保持金屬一樣的導電性。

最重要的是，它保留了作為 OLED 陰極的關鍵特性，低功函數有利于電子注入，高光反射率可以將光反射出去和提高出光效率。其功函數遠遠低于銀納米線、碳納米管等柔性電極，電子注入能力與標準鋁陰極相當，比舊有方案提升了將近一萬倍。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z）

強強聯合催生全能型可拉伸屏幕

當這條全新的“柔性電子高速公路”即 PTG75D 聚合物，遇到“柔性電子發射站”即脆化鋁陰極的時候，并且與已有的高性能可拉伸發光層和陽極結合時，便發生了本文開頭提到的性能。

劉偉表示：“這一成果最直觀的應用就是用在顯示領域。未來可能出現可拉伸、不怕變形的顯示器，比如可以做成電子皮膚，既能用于人體，也能用于具身智能機器人表面作為人機交互的界面。但我認為更重要的應用領域是醫療健康。

可拉伸 OLED 可以與光電傳感器結合，實時監測血氧、心跳等健康狀況，甚至可用于光療、癌癥抑制、糖尿病治療乃至心臟起搏器等。這讓人能夠與自身的健康狀況進行交互，前景十分巨大。”這項研究不僅僅是實驗室里的幾個漂亮數據，它更解決了可拉伸光電領域一個長期存在的核心瓶頸，為真正高性能、可穿戴的皮膚式電子設備鋪平了道路。

目前，劉偉已經通過此次研究解決了電子注入的難題，未來將致力于開發更加高性能的發光材料，優化器件的穩定性和壽命，以及實現大規模制造。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z）

他表示，本次工作解決了一個核心問題：效率。以前大家覺得可拉伸 OLED 效率做不上去，就很難商用。本次工作則讓大家看到了希望，效率已經很有希望達到商用剛性 OLED 的水平。

接下來，除了效率、在亮度、尤其是器件壽命和穩定性方面，可能還有更硬的骨頭要啃。如果這些關鍵指標都能做到與剛性 OLED 差不多，那么其商業化前景將非常廣闊。

對于未來他表示：“總的來說，我們此次發展出了一個很好的驗證平臺，可用于檢驗各種新開發的可拉伸 OLED 材料的性能。后續，我們將基于這個平臺，發展性能更好的材料，讓可拉伸 OLED 的各方面的性能更接近甚至達到商用剛性 OLED 的水平。目前，我正在積極與業界、投資機構及公司洽談合作，主要想法是圍繞可拉伸 OLED 的基礎材料，先成立公司，把核心材料做起來。”

參考資料：

相關論文 https://www.nature.com/articles/s41563-025-02419-z

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